Ki-45 第一次性能提升机 3 号机，全部 Ki-45 中的第九架，采用可调式螺旋桨，而前三架样机是固定式的
Ki-45 的生产总数包括安装 Ha-20 乙的三架样机和安装 Ha-25 的 8 架“第一次性能提升机”也就是追加样机，一共是 11 架。
1940 年 10 月，陆军要川崎进行 Ki-45 改的设计工作，除了要求改用 Ha-102 发动机之外，没有其他改动的要求。然而川崎认为如果不对 Ki-45 时期的设计进行全面重新改动，很难保证飞机投入量产。所以早在 8 月，就把设计师换成土井武夫，Ki-45 改的基础是他的作品：1940 年春天被陆军选中的九九式双发轻型轰炸机（Ki-48）。1941 年 4 月，土井班子完成设计工作，到 9 月制成第一架 Ki-45 改样机。
因为考虑到重量的增加和携带燃料的必然增多，所以 Ki-45 改主翼面积比 Ki-45 多出 3 平方米，达到 32 平方米，同时放弃椭圆斜度改为直线切边。主翼和 Ki-48 一样，虽然还是分为中央翼和两侧外翼的三部分，但是从翼根部位开始就带有上反角。构造和 Ki-48 完全一样，样机外翼上的一些外部部件直接从 Ki-48 上取出一些修改以后安装。Ha-102 的外径是 1,118 毫米，为了配合它而对发动机舱做了大幅度的再设计，为了防止失速，而把机舱位置降低、导致机舱在机翼上部的凸出部分变小。
土井尽可能活用现有的设计，Ki-45 改的尾翼和驾驶舱风挡的形状也和 Ki-48 几乎一样，机身的形状基本就是去除了炸弹舱、取消了机首风挡的 Ki-48 机身；而起落架收放装置、操控装置和油压设备基本都沿用 Ki-48 的，真正继承 Ki-45 的只有后座旋转机枪架。
一部分 Ki-45 改的样机和量产型仍旧使用 Ha-25。但是绝大部分采用的是陆军指定的 Ha-102，它和海军中的“瑞星”式为同一系列，由三菱公司开发制造，风冷双列 14 缸，陆军在 1941 年以“一式 1,050 马力发动机”的名称制式化。Ha-102 缸径 140 毫米，行程 130 毫米，总容量 28 公升；装有一段二速增压器，2,800 米高度一速 1,055 马力，5,800 米高度二速 950 马力，纸面性能全面优于 Ha-25。
Ki-45 改样机的试飞达到 540 公里/小时的速度（6,000 米高度），爬升速度、航程和操控简易程度都要优于 Ki-45。初期曾经遭遇由于机油冷却器阀门不合格导致起落架收起之后发动机舱外壳松动脱落的故障，但是很快得到了解决。测试中包括使用样机和从德国买进的 Bf 109E 战斗机进行模拟空战，日本宣布 Ki-45 改的空战性能等同于 Bf 109E。（即便是 Bf 109E，我仍对这个说法持保留态度）
